[發(fā)明專利]一種微陣列式偏振光羅盤的定向方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710914696.2
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107728106B
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡小平;韓國良;練軍想;何曉峰;張禮廉;王玉杰;范晨;吳雪松;蔡宇
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號: G01S3/782
• 分類號: G01S3/782
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 陸薇薇

1.一種微陣列式偏振光羅盤的定向方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1.建立微陣列式偏振光羅盤的測量方程：

微陣列式偏振光羅盤主要由廣角鏡頭、像素偏振片陣列和CCD(Charge-CoupledDevice)相機組成；像素偏振片陣列的像素與CCD像素尺寸完全相等，相鄰的4個CCD像素構(gòu)成一個偏振測量單元，完成對某一個視角方向入射光的偏振態(tài)解算；對于任意偏振測量單元，微陣列式偏振光羅盤的測量方程為：

其中，j為相鄰的4個CCD像素的編號，f_j為第j個像素的測量值，入射光的總光強為I，偏振度為d，φ為入射光偏振方向與參考方向的夾角，即入射光的偏振角，β_j為第j個偏振片的極化方向與參考方向的夾角，β₁、β₂、β₃和β₄分別為0°、90°、45°、135°，K_j和b_j為待標定的CCD相機線性誤差參數(shù)，k_j和ε_j為待標定的偏振片安裝誤差參數(shù)，n_j為測量噪聲；

步驟2.CCD相機線性誤差參數(shù)標定：

以無偏的自然光作為輸入，并在不同光強的輸入下記錄每個CCD像素的響應(yīng)，最小化下述目標函數(shù)來估計CCD相機的線性誤差參數(shù)K_j和b_j：

其中，i為測量的編號，N為測量次數(shù)，為第i次測量中的輸入光強，為第i次測量的測量值；

K_j和b_j可由下式計算得到：

步驟3.偏振片安裝誤差參數(shù)標定：

3.1)計算偏振測量單元對應(yīng)的入射光的偏振角和偏振度

將步驟1中的(1)式改寫為矩陣形式，得到每個偏振測量單元的測量方程：

HX＝P (4)

其中，

其中，k₁、k₂、k₃、k₄、ε₁、ε₂、ε₃和ε₄為待標定的偏振片安裝誤差參數(shù)，K₁、K₂、K₃、K₄、b₁、b₂、b₃和b₄為通過步驟2標定得到的CCD相機線性誤差參數(shù)；

采用最小二乘法估計天空偏振角模式，則X的最小二乘估計由下式給出：

其中，是X的最小二乘估計；

每個偏振測量單元對應(yīng)的入射光的偏振角和偏振度分別為：

3.2)運用迭代最小二乘法求解待標定的偏振片安裝誤差參數(shù)

定義如下目標函數(shù)：

其中，是第m次測量中偏振角的測量值，和分別表示偏振角的初次測量的測量值和它的測量誤差，Δφ_m為偏振角變化的真實值，r_m為第m次測量中的測量誤差；

迭代方程為：

其中，x₀為迭代初值，x_n和x_n+1分別為第n次和第n+1次迭代后方程的解，J_r(x)為雅可比矩陣；

當(dāng)||x_n+1-x_n||≤0.01時，迭代方程收斂到最優(yōu)解；

步驟4.基于天空偏振角模式估計太陽方位：

4.1)求解入射光的E矢量方向

每個偏振測量單元對應(yīng)的入射光的E矢量方向為：

其中,e為入射光的E矢量方向，為入射光坐標系到相機坐標系的變換矩陣；

4.2)建立太陽方向矢量關(guān)于入射光的E矢量方向的方程

根據(jù)瑞利散射模型，入射光的E矢量方向垂直于散射面，即

e^Ts＝0 (10)

其中，s為太陽方向矢量；

太陽方向矢量可以通過兩個不相關(guān)的E矢量估計得到，定義E＝[e₁…e_N]，其中e_N為第N個偏振測量單元的E矢量方向，可以得到：

E^Ts＝0 (11)

4.3)建立優(yōu)化目標函數(shù)估計太陽方向矢量

太陽方向矢量s的最優(yōu)估計可以通過求解如下的優(yōu)化問題得到：

太陽方向矢量的最優(yōu)估計是與EE^T最小特征值相對應(yīng)的特征向量，太陽方向矢量在水平面的投影即為太陽的方位。